圣诞树的设计与制作.docx

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圣诞树的设计与制作

1、设计任务及要求-----------------------------1

2、总体框图-----------------------------------1

3、选择器件-----------------------------------2

4、功能模块-----------------------------------11

5、总体电路图设计-----------------------------16

6、硬件实验-----------------------------------17

7、课设心得-----------------------------------18

圣诞树的设计与制作

一、设计任务与要求

圣诞树一共有七层彩灯控制电路组成。

顶层用一个五角星红色闪光灯构成；第一层由CD4017和LM555构成一个双闪或三闪式信号闪光电路；第二层有8个不同颜色的彩灯组成的控制电路，控制要求彩灯依次由暗变亮，又变暗不断重复闪烁发光；第三层由两组不同颜色的彩灯构成，形成红灯闪烁完毕绿灯接着闪烁，然后停3s到5s后红灯再次闪烁，然后绿灯再次闪烁，从而形成一个周期闪烁的彩灯控制电路；第四层由一只双四位串入/并出移位存储器CD4015组成形成光点逐个发光又逐个熄灭的移动闪烁效果；第五层在第四层的基础上对电路结构进行适当的变化形成一亮一暗交替闪烁发光电路；第六层双色花样流动灯，通过输出端与发光二极管的交叉连接在时钟脉冲的作用下两计数器输出的脉冲使双色发光二极管呈现出复杂的流动花样变化。

任务完成后，总体效果就是各层设计的彩灯电路在各自控制的电路下形成交替动感闪烁发光效果。

二、总体框图

图

（1）圣诞树的设计与制作的总体框图

在闪光灯电路中，我决定用二进制计数器74LS293。

利用它的二进制功能，从而实现LED闪光灯电路。

在双闪电路中，题目要求用LM555和CD4017组成一个双闪电路，但CD4017的芯片我们不是很熟悉，所以我决定利用十进制计数器74LS160构成三进制计数器来实现双闪电路。

在循环闪烁灯电路中，我打算将同步4位二进制加/减计数器74LS193的输出接到3-8译码器的输入端，再用四个与非门共同组成一个循环闪烁的闪光灯电路。

在移动发光式闪烁灯电路中，我用两只双四位串入/并出移位寄存器4015BD组成LED灯光移动闪烁电路，在脉冲的作用下，移位寄存器的输出端依次输出驱动脉冲，通过驱动二极管的发光，形成光点逐个发光又逐个熄灭的移动闪烁效果。

交替发光式LED闪光灯电路是在移动闪烁电路的基础上改变的，即改变输入数据。

在双色花样流动闪光灯电路中，我用了两个4017BD芯片，通过输出端与发光二极管的交叉连接，在时钟脉冲的作用下两计数器输出的脉冲使双色发光二极管呈现出复杂的流动花样变化。

在周期闪烁的闪光的电路中，我仍用十进制计数器74LS160实现了红灯绿灯的循环闪烁，但不知道如何实现3-5S的停顿

三、选择器件

1.CD4017

　CD4017是5位Johnson计数器，具有10个译码输出端，CP、CR、INH输入端。

时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。

INH为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。

CR为高电平时，计数器清零。

Johnson计数器，提供了快速操作、2输入译码选通和无毛刺译码输出。

防锁选通，保证了正确的计数顺序。

译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。

在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。

CD4017提供了16引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式。

推荐工作条件

电源电压范围：

3V-15V；输入电压范围：

0V-VDD

工作温度范围

M类：

55℃-125℃；E类：

40℃-85℃

极限值：

电源电压：

-0.5V-18V；输入电压：

-0.5V-VDD十0.5V；输入电流：

±10mA

贮存温度：

-65℃-150℃

引出端功能符号

CO：

进位脉冲输出；CP：

时钟输入端；CR：

清除端；INH：

禁止端；Q0-Q9计数脉冲输出端；VDD：

正电源；VSS：

地

CD4017引脚图：

图

（2）芯片CD4017的管脚图

D4017引脚图的功能：

CD4017内部是除10的计数器及二进制对10进制译码电路。

CD4017有16支脚，除电源脚VDD及VSS为电源接脚，输入电压范围为3–15V之外，其余接脚为：

A、频率输入脚：

CLOCK（Pin14），为频率信号的输入脚。

B、数据输出脚：

a、Q1-Q9（Pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11），为解码后的时进制输出接脚，被计数到的值，其输出为Hi，其余为Lo电位。

b、CARRYOUT（Pin12），进位脚，当4017计数10个脉冲之后，CARRYOUT将输出一个脉波，代表产生进位，共串级计数器使用。

C、控制脚：

a、CLEAR（Pin15）：

清除脚或称复位（Reset）脚，当此脚为Hi时，会使CD4017的Q0为“1”，其余Q1-Q9为“0”。

b、CLOCKENABLE（Pin13），时序允许脚，当此脚为低电位，CLOCK输入脉波在正缘时，会使CD4017计数，并改变Q1-Q9的输出状态。

2.CD4015

CD4015是一个串入并出移位寄存器，从逻辑结构上看，移位寄存器有以下两个显著特征：

（1）移位寄存器是由相同的寄存单元所组成。

一般说来，寄存单元的个数就是移位寄存器的位数。

为了完成不同的移位功能，每个寄存单元的输出与其相邻的下一个寄存单元的输入之间的连接方式也不同。

（2）所有寄存单元共用一个时钟。

在公共时钟的作用下，各个寄存单元的工作是同步的。

每输入一个时钟脉冲，寄存器的数据就顺序向左或向右移动一位。

通常可按数据传输方式的不同对CMOS移位寄存器进行分类。

移位寄存器的数据输入方式有串行输入和并行输入之分。

串行输入就是在时钟脉冲作用下，把要输入的数据从一个输入端依次一位一位地送入寄存器；并行输入就是把输入的数据从几个输入端同时送入寄存器。

　　在CMOS移位寄存器中，有的品种只具有串行或并行中的一种输入方式，但也有些品种同时兼有串行和并行两种输入方式。

串行输入的数据加到第一个寄存单元的D端，在时钟脉冲的作用下输入，数据传送速度较慢；并行输入的数据一般由寄存单元的R、S端送入，传送速度较快。

移位寄存器的移位方向有右移和左移之分。

右移是指数据由左边最低位输入，依次由右边的最高位输出；左移时，右边的第一位为最低位，最左边的则为最高位，数据由低位的右边输入，由高位的左边输出。

　　移位寄存器的输出也有串行和并行之分。

串行输出就是在时钟脉冲作用下，寄存器最后一位输出端依次一位一位地输出寄存器的数据；并行输出则是寄存器的每个寄存单元均有输出。

CMOS移位寄存器有些品种只有一种输出方式，但也有些品种兼具两种输出方式。

实际上，并行输出方式也必然具有串行输出功能。

CD4015是由两组独立的4位串入－并出移位寄存器组成。

每组寄存器都有一个CP输入端、一个清零端CL和一个串行数据输入端DS。

每位寄存单元都有输出端引出，因而即可作串行输出，又可实现并行输出。

加在DS端上的数据在时钟脉冲上升沿的作用下向右移位。

当在CL端加高电平时，寄存器的输出被全部清零。

下表

（1）为CD4015真值表,下图（3）示出数据在CD4015中的移位过程。

该图可以看出，CD4015的初始状态为“0101”，要串行输入4位数据，就要给CP端加4个脉冲。

通过信息在CD4015中的流动过程，我们可知CD4015具有下述功能：

（1）从串行输入到串行输出，数据延迟了4个时钟周期。

因此，CD4015可用作延迟电路。

（2）串行数据经过CD4015以后，转换成了并行数据，可由Q0～Q3端并行输出。

（3）可作为数据寄存器使用。

保持

Q0n

Q1n

Q2n

Q0n

Q1n

Q2n

表

（1）CD4015的真值表

图（3）CD4015的移位过程

3.74LS04N

74LS04N是一个非门，其逻辑功能表如下表所示：

表

（2）74LS04的逻辑功能表

下图是其逻辑框图：

图（4）74LS04的内部结构

4.74LS160

74LS160N为十进制同步加法计数器。

其逻辑功能描述如下：

在CT74LS160中

为预置数控制端，D0-D3为数据输入端，C为进位输出端，

为异步置零端，Q0-Q3位数据输出端，EP和ET为工作状态控制端。

当

=0时所有触发器将同时被置零，而且置零操作不受其他输入端状态的影响。

当

=1、

=0时，电路工作在预置数状态。

这时门G16-G19的输出始终是1，所以FF0-FF1输入端J、K的状态由D0-D3的状态决定。

当

=1而EP=0、ET=1时，由于这时门G16-G19的输出均为0，亦即FF0-FF3均处在J=K=0的状态，所以CP信号到达时它们保持原来的状态不变。

同时C的状态也得到保持。

如果ET=0、则EP不论为何状态，计数器的状态也保持不变，但这时进位输出C等于0。

当

=EP=ET=1时，电路工作在计数状态。

从电路的0000状态开始连续输入10个计数脉冲时，电路将从1111的状态返回0000的状态，C端从高电平跳变至低电平。

利用C端输出的高电平或下降沿作为进位输出信号。

下表（3）为74LS160N的逻辑功能表：

输入

输出

CLR

LOAD

ENT

ENP

CLK

异步清零

同步预置

计数

保持

表（3）74LS160的逻辑功能表

74LS160N的逻辑符号:

74LS160的逻辑框图:

图（5）74LS160的逻辑符号图（6）74LS160的逻辑框图:

74LS160的内部原理图:

图（7）74LS160的内部原理图

5.IN4001

IN4001是一个二极管，在主板上二极管的作用是：

做指示灯、整流、稳压、钳位、开关的作用。

主板二极管的标注是在主板中二极管一般用D或VD表示。

其标注一般由5部份组成.

二极管的主要参数:

1、最大整流电流是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值，其值与PN结面积及外部散热条件等有关。

因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为140左右，锗管为90左右）时，就会使管芯过热而损坏。

所以在规定散热条件下，二极管使用中不要超过二极管最大整流电流值。

例如，常用的IN4001－4007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。

2、最高反向工作电压加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。

为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。

例如，IN4001二极管反向耐压为50V，IN4007反向耐压为1000V。

3、反向电流反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。

反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。

值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高10℃，反向电流增大一倍。

例如2AP1型锗二极管，在25℃时反向电流若为250uA，温度升高到35℃，反向电流将上升到500uA，依此类推，在75℃时，它的反向电流已达8mA,不仅失去了单方向导电特性，还会使管子过热而损坏。

又如，2CP10型硅二极管，25℃时反向电流仅为5uA，温度升高到75℃时，反向电流也不过160uA。

故硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。

4、最高工作频率二极管工作的上限频率。

超过此值是，由于结电容的作用，二极管将不能很好地体现单向导电性。

二极管好坏判断1、普通二极管正向：

600欧左右，反向为1（数字表二极管档）2、快速恢复二极管

主板二极管代换原则1、贴片二极管，颜色，大小一致可换。

2、红色玻璃二极管可互换使用3、快恢复二极管PBYR2535、PBTR2545、PBYR2045可相互代换，其余须稳压值相同，方可代换。

几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。

二极管的工作原理晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。

当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。

当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。

当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

二极管的类型二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。

根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。

按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。

点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。

由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。

面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。

平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。

二极管的导电特性二极管最重要的特性就是单方向导电性。

在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。

下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。

1.正向特性：

在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。

必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分位弱。

只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。

导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。

2.反向特性：

在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。

二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。

当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。

二极管的主要参数：

用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数。

不同类型的二极管有不同的特性参数。

对初学者而言，必须了解以下几个主要参数：

1.额定正向工作电流是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。

因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为140左右，锗管为90左右）时，就会使管芯过热而损坏。

所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。

例如，常用的IN4001－4007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。

2.最高反向工作电压加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。

为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。

例如，IN4001二极管反向耐压为50V，IN4007反向耐压为1000V。

3.反向电流反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。

反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。

值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高10，反向电流增大一倍。

例如2AP1型锗二极管，在25时反向电流若为250uA，温度升高到35，反向电流将上升到500uA，依此类推，在75时，它的反向电流已达8mA，不仅失去了单方向导电特性，还会使管子过热而损坏。

又如，2CP10型硅二极管，25时反向电流仅为5uA，温度升高到75时，反向电流也不过160uA。

故硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。

6.LM555

LM555/LM555C系列是美国国家半导体公司的时基电路。

我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一种通用集成电路。

LM555/LM555C系列功能强大、使用灵活、适用范围宽，可用来产生时间延迟和多种脉冲信号，被广泛用于各种电子产品中。

　　555时基电路有双极型和CMOS型两种。

LM555/LM555C系列属于双极型。

优点是输出功率大，驱动电流达200mA。

而另一种CMOS型的优点是功耗低、电源电压低、输入阻抗高，但输出功率要小得多，输出驱动电流只有几毫安。

电路特点：

　　LM555时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等组成，是模拟电路和数字电路的混合体。

其中6脚为阀值端（TH），是上比较器的输入。

2脚为触发端（TR），是下比较器的输入。

3脚为输出端（OUT），有0和1两种状态，它的状态由输入端所加的电平决定。

7脚为放电端（DIS），是内部放电管的输出，它有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定。

4脚为复位端（R），叫上低电平（<0.3V）时可使输出端为低电平。

5脚为控制电压端（CV），可以用它来改变上下触发电平值。

8脚为电源（VCC），1脚为地（GND）。

　　一般可以把LM555电路等效成一个大放电开关的R-S触发器。

这个特殊的触发器有两个输入端：

阀值端（TH）可看成是置零端R，要求高电平；触发端（TR）可看成是置位端S，低电平有效。

它只有一个输出端OUT，OUT可等效成触发器的Q端。

放电端（DIS）可看成由内部放电开关控制的一个接点，放电开关由触发器的反Q端控制：

反Q=1时DIS端接地；反Q=0时DIS端悬空。

此外这个触发器还有复位端R，控制电压端CV，电源端VCC和接地端GND。

这个特殊的R-S触发器有两个特点：

（1）两个输入端的触发电平要求一高一低：

置零端R即阀值端TH要求高电平，而置位端S即触发端TR则要求低电平。

（2）两个输入端的触发电平，也就是使它们翻转的阀值电压值也不同，当CV端不接控制电压是，对TH（R）端来讲，>2/3VCC是高电平1，<2/3VCC是低电平0；而对TR（S）端来讲，>1/3VCC是高电平1，<1/3VCC是低电平0。

如果在控制端CV加上控制电压VC，这时上触发电平就变成VC值，而下触发电平则变成1/2VC。

可见改变控制端的控制电压值可以改变上下触发电平值。

内部结构：

图（8）555计时器的内部结构

LM555引脚图：

图（9）LM555的引脚图

7.74LS293

74LS293是4位异步二进制加法计数器，具有二分频和八分频能力。

它由一个二进制和八进制计数器组成，两个计数器各具有下降沿有效的时钟端，两个计数器具有相同的高电平使能清除端R0

（1）和R0

（2）.

74LS293的引脚图：

由74LS293构成的二进制计数器：

图（10）芯片74LS293的引脚图图（11）二进制计数器

8.74LS193

74LS193为可预置数的同步十进制加减法计数器，它具有上升沿有效的加计数时钟端UP和减计数时钟端DOWN，该计数器具有异步清零端，当清零信号CLK为高电平时，实现清零功能；该计数器还有异步置数功能，当置数信号LOAD为低电平时，实现预置数；当计数器加计数，且计数值为9时，进位端CO输出宽度等于加计数脉冲UP的低电平脉冲；当计数器减计数、且计数值为0时，借位端BO输出宽度等于减计数脉冲DOWN的低电平脉冲。

图（12）74LS193的引脚图

9．74LS138

74LS138是3线-8线译码器。

将输入二进制代码转换成与代码对应的高、低电平的电路称为译码器。

74LS138的逻辑符号；

图（13）74LS138的逻辑符号

74LS138的功能表：

输入

输入端

输出端

使能端

G1+G2

表（4）74LS138的功能表

其中C、B、A是译码器的数据输入端，Y0到Y7是输出端，也就是输入端C、B、A的各个最小项。

四、功能模块

1、红色闪光灯电路

图（14）第七层红色闪光灯电路

由74LS293构成的二进制计数器如图（14）所示，在脉冲的作用下，输出端会输出0000和0001两种状态。

若输出0000，则经过与门后输出信号就变为高电平，发光二极管就发光；接着输出0001，经与非门后的输出信号就变为低电平，发光二极管就变暗。

这样一来，就会形成闪烁发光的闪光灯电路。

2、双闪式信号闪光灯电路

图（15）第一层双闪电路

图（15）的工作原理是通过控制74LS160这个计数器将信号转化为3个信号，分别为0000,0001,0010，比较三个信号在QB处为与前两个数字与第三个数字的不同之处，故设计0000,0001的QB=0为灯亮时的信号控制灯亮，反之0010时发光二极管阴极信号为高电平，发光二极管灭，如此循环得到控制双闪灯的电路。

3、循环闪烁灯闪光电路

图（16）第二层循环闪光灯电路

图（16）中同步4位二进制加/减计数器74LS193计数输出到3-8译码器74LS138，G1和G2组成与非门结构的SR锁存器。

在译码器输出1引脚为低电平时，G1输出高电平，使G2输出低电平，G3门解除封锁，计数脉冲通过G3门，使计数器加计数。

在译码器输出8引脚为低电平时，G2输出高电平，使G1输出低电平，G4解除封锁，计数脉冲通过G4门，使计数器减计数。

译码器输出连接共阳极连接的发光二极管，译码器输出低电平时，二极管发光。

由于计数器工作在加/减计数状态，则发光二极管将来回顺序点亮。

4、移动发

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